「あかつき」はこうして生まれた

2010年12月7日。日本初の金星探査機「あかつき」が、約半年間の航海を経て、いよいよ目的地である金星に到着しようとしていた。

「あかつき」の運用室がある宇宙航空研究開発機構(JAXA)の相模原キャンパス(神奈川県相模原市)には、関係者や報道陣、そして「あかつき」を応援するために宇宙ファンが集まっていた。

8時49分00秒。「あかつき」は金星をまわる軌道に入るためのエンジン噴射を開始した。この噴射中、「あかつき」は地球から見て金星の裏側に入る。「あかつき」と再び通信ができるのは9時12分ごろの見込みだった。

ところが通信は再開されず、「あかつき」は行方不明になった。約1時間半後に見つかったときには、まったく予想外の方向を飛んでいた。エンジンが途中で止まり、金星の周回軌道に入れなかったのだ。

その後、運用チームの懸命の努力により、再び金星にたどり着くことができる道筋が見つかり、2015年12月7日に金星軌道への投入に再挑戦することが決まった。

本連載の第1回と第2回ではまず、「あかつき」の検討から打ち上げ、そして5年前の失敗と、再挑戦に向けた歴史を振り返る。そして第3回と第4回では、「あかつき」のプロジェクト・マネージャーの中村正人さんへのインタビューを掲載する。その後、12月7日の金星周回軌道投入の再挑戦の顛末を紹介し、「あかつき」が拓く金星のサイエンスについても紹介していきたい。

「あかつき」の誕生

日本が金星探査をやろうという話は、20世紀の末に持ち上がった。2000年当時、日本も金星探査をやりたいという機運はあったものの、金星の分厚い大気を見るために必要な、赤外線を使う観測機器を造れる人がおらず、また金星探査という大きなプロジェクトを率いることができる人もいなかった。

そこで当時、東京大学にいた中村正人さんに白羽の矢が立った。中村さんは当時、極端紫外線を使った観測を行っていたが、新たに赤外線を使う観測機器を造らないかともち掛けられ、宇宙科学研究所(ISAS)に移った。

さらにそのなりゆきで、中村さんはこの計画のプロマネを務めることにもなった。そこで他の研究者や日本電気(NEC)の技術者らと共に検討を重ね、わずか1年で構想をまとめた。

2000年12月には、ISASの宇宙科学ミッションを審査する宇宙理学委員会に提案書が提出され、翌2001年の1月に開催された「第1回宇宙科学シンポジウム」の初日の最初の講演で、中村さんはこの計画を発表した。発表は好評。宇宙理学委員会による審査を経て、2001年5月、ISASとして金星探査ミッションを推進することが決まった。同年7月には、宇宙開発委員会推進部会の事前評価で「開発研究」段階への移行は妥当との評価を受け、ここに第24号科学衛星「PLANET-C」、後に「あかつき」と命名される日本初の金星探査機の計画がスタートした。

当時の計画では、2007年に打ち上げ、2009年に金星に到着する軌道を取ることになっていたが、2004年になってようやくPLANET-Cの開発に予算がつき、打ち上げ時期は2010年まで遅れることになった。

金星気象衛星「あかつき」

PLANET-Cは打ち上げ時の質量が約500kgで、ここに5台のカメラと1台の電波発信器からなる、合計約35kgの科学観測装置が搭載されている。535kgというのは金星探査機の中では比較的小さいが、金星の自転と大気の回転と同じ方向に向けて回る軌道から、赤外線を使って金星の大気を見るというミッションは、これまでどの探査機もやったことがないことで、科学的に大きな成果が得られることが期待された。

実はこの探査機には、コードネームの「PLANET-C」、愛称の「あかつき」以外に、Venus Climate Orbiter (VOC)という名前でも呼ばれていた。直訳すると「金星気象衛星」。現在ではあまり使われることのない名前だが、この「金星気象衛星」この、「あかつき」の性質を端的にかつ的確に表した名前である。

金星には地表を覆い隠すほどの分厚い大気があり、地表での気圧は90気圧もある。その内部の構造がどうなっているのかはまだ謎が多く、たとえば硫酸の雲がどうやってできているのかはわかっていない。

また、赤道から高緯度までの広い範囲で、金星の自転方向と同じ向きに風が吹いており、さらにその速度は高度60kmあたりでは時速400kmにも達する。こうした高速で循環する風のことをスーパーローテーションと呼ぶ。地球では考えられない現象だが、土星の衛星タイタンでも似たような現象が起きていることが判明しつつあり、宇宙規模では珍しくないかもしれないと見られている。

こうした金星大気の謎を解明することで、金星そのものを知ることになるのはもちろん、金星と地球の気候は何が共通していて何が違うのか、そしてそれは何故なのかを調べることで、地球に対する理解をさらに深めることにつながり、気象学の分野がさらに発展することが期待されている。

金星環境に耐える「あかつき」

PLANET-Cの開発は2004年に始まった。2001年に承認された提案に手を加え、設計を詰める作業が行われたが、中村さんによれば、これにはプロジェクト・エンジニアを務める石井信明さんが辣腕を振るったという。

PLANET-Cの開発では、特に金星環境にどう耐えるかが重要となった。金星は地球よりも太陽に近いため、探査機が受ける熱の量も大きくなり、放っておくと壊れてしまう。そのため、太陽から受ける熱や、探査機内部から出る熱をうまく制御する必要がある。

実際の開発と製造を担当したNECによれば、「熱設計が大変だった」と語る。機体の随所には、いかに放熱する面に太陽光を当てないようにするかという工夫が施されている。特に、地球と大容量の通信を行うための高利得アンテナも、検討時はお椀のような形でおなじみのパラボラ・アンテナだったが、これだとアンテナが太陽のある方向を向いたときに給電部に集光し、温度が上がってしまうため、平面状のアンテナ(ラジアルライン給電スロットアレイアンテナ)が新たに開発された。

また、探査機の両側にそれぞれある太陽電池の格納方法にも工夫が施された。多くの衛星では、両翼にある太陽電池はそれぞれの側面側に折り畳まれているが、PLANET-Cでは探査機の高利得アンテナがある側に、蓋をするような形で折り畳まれている。これにより、タイダウン(拘束具)のメカニズムを共通化でき、軽量化につながった。

そしてもうひとつ、PLANET-Cにとって最大の変更ももたらされた。スラスターがセラミック製に変わったのだ。通常、人工衛星のスラスターにはニオブ系合金の金属製のものが使われる。しかし、耐熱性に制限があり、また寿命や取扱性にも問題があり、さらに日本にとっては特許の問題から海外から輸入するしかなく、入手性にも問題があった。そこで、金属ではなく窒化珪素系セラミックスを使った「セラミック・スラスター」の開発が行われた。

セラミックはニオブ系合金よりも耐熱性が高いため、その分スラスターの性能を上げることができる。またニオブ系合金で必要な耐酸化コーティングも不要という利点がある。そして国産であるため入手しやすく、いわゆる「ブラックボックス」にもならないため、問題が起きても十分な調査が行えるという利点もあった。

開発は順調に進み、試験を繰り返した結果、十分な性能と信頼性をもつことが実証された。そしてPLANET-Cが、この新型スラスターの採用第1号になることになった。

M-VからH-IIAへ

PLANET-Cそのものの開発は順調に進んだが、それ以外のところで大きな問題が起きた。打ち上げロケットの変更である。

当初の予定では、打ち上げには「M-V」ロケットが使われることになっていた。M-VはISASが開発した全段固体燃料を使うロケットで、世界の固体ロケットの中でも高い性能をもっていた。しかし、コストが高いという欠点があり、JAXAは2006年、M-Vを退役させる検討を始めた。

このとき、PLANET-Cの打ち上げをどうするのかという議論が起こった。「あかつき」はM-Vで打ち上げるように造られているが、機体が完成し、打ち上げられるのは2010年になる。それまでM-Vを延命させるのか、それともH-IIAロケットで打ち上げるのかが検討され、最終的に後者が選ばれた。

H-IIAはM-Vとは違い、液体の推進剤を使うロケットであるため、乗り心地は比較的良いほうだった。しかし、大型ロケットのH-IIAにとってPLANET-Cはあまりにも軽く、振動が発生することが問題になった。その振動はPLANET-Cの固有振動数と一致しており、そのまま打ち上げると共振を起こして、壊れる心配があった。

まずこの振動を抑えるため、ダミー・ウェイト、要するに衛星でもなんでもない、ただの「重り」を載せることになった。後に、このダミー・ウェイトは、小型ソーラー電力セイル実証機「IKAROS」が換わって載ることになった。さらに、各所に補強のための梁が入れられることになった。

一方、H-IIAにしたことでメリットもあった。M-Vは固体ならではの振動が大きく、H-IIAとはまた別の点で補強が必要なところがあった。たとえば、M-Vで打ち上げられた小惑星探査機「はやぶさ」は、回転する駒の力で機体の姿勢を制御する「リアクション・ホイール」に、打ち上げ時の振動に耐えるための設計変更が加えられた。このリアクション・ホイールそのものは米国製で信頼性は高く、また他の衛星や探査機にも採用された実績もあるものだったが、この設計変更が仇となり、航行中に故障することになった。

しかし、PLANET-CはH-IIAで打ち上げることになったため、ともすれば不安要素にもなる、こうした設計変更をする必要がなかった。それは設計寿命を超えて今日まで、「あかつき」が正常に動き続けていることにつながっている。

打ち上げ

打ち上げロケットがM-VからH-IIAに変わるということはあったものの、計画そのものは大きな遅延を出すことなく進んだ。

2009年10月23日には、PLANET-Cの愛称を「あかつき」とすることが決定、発表された。「あかつき(暁)」は、日の出直前の東の空が白み始めるころを指し、金星が最も美しく輝く時間として知られている。一日の始まりである夜明けを意味するこの言葉には、情景の美しさだけではなく物事の実現への力強さがある。その名前が与えられた背景には、ミッションの成功と、探査により惑星気象学を新たに創出しようという想いと決意が込められているという。

そして2010年5月21日6時58分22秒(日本標準時)、「あかつき」を搭載したH-IIAロケット17号機は、種子島宇宙センターから離昇した。ロケットは順調に飛行し、打ち上げから約27分29秒後に「あかつき」を分離。その後、太陽電池パドルの展開や、太陽を捕捉する制御にも成功し、その日の夜には搭載カメラを使って地球を撮影する試験も行われた。

こうして「あかつき」は、半年後の金星到着に向け一路、宇宙の海へ漕ぎ出した。

【取材協力:JAXA、日本電気】

参考

・ISAS | 金星探査機「あかつき」の挑戦 / ISASコラム
　http://www.isas.jaxa.jp/j/column/akatsuki/index.shtml
・三菱重工技報 VOL.45 NO.4: 2008　特集論文　金星探査機（PLANET-C）向け500Nセラミックスラスタの開発
　https://www.mhi.co.jp/technology/review/pdf/454/454046.pdf
・金星探査機「あかつき」 プレスキット
　http://www.jaxa.jp/countdown/f17/pdf/presskit_akatsuki.pdf
・JAXA｜金星探査機「PLANET-C」の名称の決定について
　http://www.jaxa.jp/press/2009/10/20091023_akatsuki_j.html
・ISAS | 「あかつき」の金星周回軌道投入日、12月7日と決定 / トピックス
　http://www.isas.jaxa.jp/j/topics/topics/2010/1119.shtml